Đồng hồ từng chỉ dùng để đo thời gian: Đồng hồ nguyên tử mới chính xác đến mức nhận ra chiếc khác cao hơn chỉ 5 mm
Hai đồng hồ quang học dùng ion lutetium-176 tại Centre for Quantum Technologies đạt độ bất định hệ thống gần 1 × 10⁻¹⁹. Ở mức này, chênh lệch hấp dẫn tương ứng với độ cao chỉ khoảng 5 mm đã đủ lớn để ảnh hưởng đến phép so sánh giữa hai đồng hồ.
Một chiếc đồng hồ đặt cao hơn chiếc khác vài milimet sẽ chạy nhanh hơn một lượng cực nhỏ vì trường hấp dẫn yếu hơn. Với đồng hồ thông thường, khác biệt này hoàn toàn vô nghĩa. Nhưng với hai đồng hồ quang học mới dùng ion lutetium tại Singapore, nó đã trở thành một hiệu ứng phải đo và hiệu chỉnh nghiêm túc.
Nhóm nghiên cứu tại Centre for Quantum Technologies (CQT), National University of Singapore (NUS), vừa báo cáo trên Nature hai chuẩn tần số quang học độc lập dựa trên ion 176Lu+. Mỗi hệ có độ bất định tần số tương đối gần 1 × 10−19, mức thấp nhất được báo cáo cho một đồng hồ nguyên tử quang học theo nhóm tác giả. Khi so sánh trực tiếp trong tổng cộng 200 giờ đo, hai đồng hồ đồng ý với nhau ở mức 5,7 × 10−19.
Con số gây chú ý hơn nằm ở hệ quả vật lý của độ chính xác đó: phép so sánh đã nhạy đến mức chênh cao khoảng 5 mm giữa hai đồng hồ trên cùng một bàn có thể tạo ra khác biệt đo được do hiệu ứng dịch đỏ hấp dẫn.
5 mm không phải là một “tính năng đo chiều cao”
Điểm này dễ bị hiểu sai. Nhóm nghiên cứu không chế tạo một chiếc đồng hồ có cảm biến đo khoảng cách 5 mm. Thay vào đó, họ đạt tới mức chính xác mà thuyết tương đối rộng của Einstein trở thành một phần của bài toán đo lường ngay trong phòng lab.
Theo thuyết tương đối rộng, đồng hồ ở vị trí có thế hấp dẫn cao hơn sẽ chạy nhanh hơn một chút. Gần bề mặt Trái Đất, chỉ cần thay đổi độ cao cũng làm thay đổi thế hấp dẫn. Hiệu ứng cực nhỏ, nhưng không bằng không. Khi độ bất định của đồng hồ giảm xuống vùng 10−19, một chênh lệch độ cao ở cấp milimet đã đủ để làm lệch kết quả so sánh tần số.
NUS cho biết phép so sánh của nhóm có thể phân giải chênh cao 5 mm giữa hai đồng hồ. Để hiệu ứng này không trở thành nguồn sai số, các nhà nghiên cứu phải đo độc lập độ cao tương đối của hai ion lutetium với độ chính xác dưới 1 mm.
Đó cũng là lý do các đồng hồ cực chính xác bắt đầu vượt khỏi vai trò “giữ thời gian”. Chúng có thể hoạt động như cảm biến thế hấp dẫn, biến chênh lệch tần số thành thông tin về độ cao hoặc sự thay đổi của trường hấp dẫn.
Mỗi đồng hồ chỉ cần một ion lutetium
Hai hệ thống trong nghiên cứu đều sử dụng một ion 176Lu+ duy nhất được giữ trong bẫy ion. Đồng hồ khai thác một chuyển mức nguyên tử được thăm dò bằng laser ở bước sóng 848 nm. Tần số của chuyển mức này đóng vai trò tương tự “con lắc”, nhưng dao động ở miền quang học thay vì vi sóng như chuẩn cesium hiện hành.
Lợi thế của lutetium không chỉ nằm ở việc dùng ánh sáng quang học. Theo paper, chuyển mức 1S0 ↔ 3D1 của 176Lu+ đặc biệt ít nhạy với một số nhiễu môi trường vốn giới hạn độ chính xác của đồng hồ nguyên tử, trong đó có bức xạ vật đen và từ trường. Khối lượng nguyên tử lớn cũng giúp giảm độ nhạy với các dịch chuyển do chuyển động.
Nhóm còn sử dụng kỹ thuật “hyperfine averaging” để trung bình hóa các dịch chuyển liên quan đến cấu trúc siêu tinh tế. Kết quả là hai hệ thống đạt độ bất định hệ thống lần lượt khoảng 1,2 × 10−19 và 1,3 × 10−19.
Vì sao phải xây hai chiếc?
Một đồng hồ có bảng sai số rất đẹp vẫn chưa đủ để chứng minh rằng nó thực sự chính xác như tính toán. Cách kiểm tra mạnh hơn là xây hai hệ độc lập dựa trên cùng nguyên tử, đánh giá sai số riêng cho từng hệ rồi xem chúng có cho cùng kết quả hay không.
Đó là phần quan trọng của công trình mới. Nhóm CQT so sánh hai đồng hồ bằng correlation spectroscopy, một kỹ thuật cho phép loại bỏ phần lớn nhiễu pha chung đến từ laser dùng để thăm dò hai ion. Nhờ vậy, phép đo tập trung hơn vào chính hai chuẩn nguyên tử thay vì bị giới hạn bởi độ ổn định của laser.
Sau 11 đợt đo với tổng thời gian khoảng 200 giờ, chênh lệch tần số trung bình giữa hai hệ được báo cáo là [−0,1 ± 5,7 (thống kê) ± 1,0 (hệ thống)] × 10−19. Nói cách khác, trong giới hạn của phép đo, hai chuẩn tần số độc lập nhất quán với nhau.
Đây là khác biệt quan trọng giữa một con số “độ chính xác dự kiến” và một chuẩn đo đã được đối chiếu thực nghiệm với một hệ độc lập cùng loại.
Khi địa hình trở thành nguồn sai số của đồng hồ
Độ chính xác ở cấp 10−19 tạo ra một nghịch lý thú vị: càng làm đồng hồ tốt hơn, việc so sánh chúng ở hai nơi khác nhau càng khó.
Nếu hai đồng hồ đặt ở hai phòng thí nghiệm cách xa nhau, chênh lệch thế hấp dẫn giữa hai địa điểm sẽ làm tần số của chúng lệch đi. Paper lưu ý rằng ở khoảng cách lớn, thế hấp dẫn của Trái Đất hiện chưa được biết với độ chính xác tương đương vài milimet; sai số địa trắc có thể lớn hơn chính độ bất định của đồng hồ.
Ở mức đó, phép so sánh giữa hai đồng hồ không còn đơn thuần trả lời câu hỏi “chiếc nào chạy đúng hơn”. Nó đồng thời trở thành một phép đo thế hấp dẫn giữa hai vị trí — khái niệm thường được gọi là chronometric levelling hay trắc địa bằng đồng hồ.
Ứng dụng tiềm năng là theo dõi những thay đổi rất nhỏ của trường hấp dẫn do phân bố khối lượng, hỗ trợ xây dựng mô hình độ cao chính xác hơn hoặc kiểm tra các hiệu ứng vật lý cơ bản. Nhưng đó chưa phải một thiết bị địa trắc thương mại. Hệ thống hiện vẫn là thiết bị phòng lab.
Bước tiếp theo là mang đồng hồ ra khỏi phòng thí nghiệm
Nhóm NUS cho biết mục tiêu kế tiếp là thu nhỏ hệ thống thành một đồng hồ có thể vận chuyển. Điều này đặc biệt quan trọng vì ở mức chính xác dưới 10−18, mang một chuẩn tần số đến tận địa điểm cần so sánh có thể thực tế hơn việc cố truyền chuẩn giữa hai phòng lab trong khi chưa biết thế hấp dẫn giữa chúng đủ chính xác.
Công trình cũng xuất hiện đúng lúc cộng đồng đo lường quốc tế đang chuẩn bị cho khả năng tái định nghĩa giây SI bằng đồng hồ quang học trong thập niên tới. Cesium vẫn là chuẩn chính thức hiện nay, nhưng các hệ quang học dùng strontium, ytterbium, aluminium và nay là lutetium đã vượt xa chuẩn vi sóng về độ chính xác.
Điểm đáng chú ý của chiếc đồng hồ lutetium mới vì thế không chỉ là một kỷ lục về số chữ số. Khi chênh lệch 5 mm về độ cao đã đủ để ảnh hưởng đến phép đo thời gian, ranh giới giữa đồng hồ, cảm biến hấp dẫn và dụng cụ địa trắc bắt đầu mờ đi.
